UAV(ドローン)写真測量とは

UAV写真測量

UAV(ドローン)測量という言葉を最近よく耳にするようになりました。その名の通り、UAV(Unmanned Aerial Vehicle :無人航空機)、いわゆるドローンを測量に活用していこうという取り組みです。

空を飛んでいるUAVがどのようにして地上における距離、面積、高度を計測するのか、いまいちイメージが湧かない方も多いのではないかと思います。

UAV測量の1つに、複数枚の写真を撮影しソフトウェアで処理を行う「空中写真測量」という手法があります。

ここではUAV写真測量の原理とワークフローの概要、そして従来手法による測量と比較して優れている点などを解説していきたいと思います。

写真測量の原理

冒頭でも少し触れましたが、UAV写真測量は空中から地上写真を複数枚撮影し、それらをコンピューターでソフト的に処理してあげることで、「点群」と呼ばれる特徴点を抽出するという形で行われます。写真1枚ではダメで、必ず複数枚が必要になります。

「点群」とは、その名の通り「点」の「群れ」であり、このたくさんの「点」はそれぞれが直交座標(XYZ)と色の情報を持っています。英語名である「ポイントクラウド」や単に「クラウド」と表記される場合もあります。

「点群」はそれぞれ座標を持っていますので、A点からB点までの距離や高さが分かります。距離と高さが分かれば面積や体積も求めることもできるようになるという仕組みで、これが「写真で測量する」という手法になるわけです。

それでは、2次元の写真からどのようにして「三次元の点群」を生成するのでしょうか?

それには「視差」と呼ばれる原理を応用しています。

人間の目は2つありますが、右目と左目で微妙に見えている映像がズレています(片目ずつつぶって見え方の違いを試すと分かりやすいです)。このズレによって物の立体感=高さを認識できるようになっているのですが、これと全く同じことをUAVが撮影した写真で行います。

UAVが撮影する写真は完全に別の地点を写すのではなく、前後の写真と重なり合うようにして撮影します。こうすることによってコンピューター上で「視差」を計算し、高さを求めることが出来るという仕組みになっています。

ステレオ写真で立体視を試した経験のある方も多いのではないでしょうか?

UAV写真測量の流れ

続いてUAV写真測量の具体的なワークフローについて紹介したいと思います。

原理は難しくてまだよく分からない、という方もいるかもしれませんが、やることはシンプルですので、こちらを読んでいただくともう少しイメージが湧くのではないかと思います。

標定点と検証点を設置する

まず、写真測量を行いたいエリアに基準となる点、標定点を設置します。この標定点はTS(トータルステーション)やGNSSローバー等を用いた従来手法で測量を行います。写真測量によって点群モデルを作成することができても、それがどのぐらいのスケールなのか、極端に言えば実物なのかジオラマなのかといった点はコンピューターには分かりませんので、それらを判別するために基準となる標定点を設置する必要がある、ということになります。

検証点は精度を検証するための点で、同様に従来手法で測量を行います。

測量の終わった標定点や検証点には「対空標識」と呼ばれる目印を設置します。これは撮影した写真を後から見た際、標定点や検証点の位置を写真上で把握するために必要な目印となります。

対空標識に関して、こちらでより詳しく説明していますのでよければご覧ください。

対空標識とは?その役割は?
UAV(ドローン)写真測量を行うには「対空標識」というものを用意する必要があります。当サイトの別記事をお読みいただいた方は何度か目にしたことがあるかと思いますが、対空標識はUAV(ドローン)写真測量を行う際に目印として必要なマーカ...

※最近では標定点を必要としない写真測量の手法も存在しますが、国土地理院が定める「UAVを用いた公共測量マニュアル(案)」では一定の手続きなしには認められないため、今回の解説から省きます。また、標定点や検証点の測量手法も、条件により「TSのみ」等とする基準がありますので注意が必要です。

UAVによる空中写真撮影

UAV(ドローン)による空中写真撮影は、基本的にUAVを自動航行させながら、インターバル撮影で前後の写真と少しずつずらしながら撮影していきます。

「UAVを用いた公共測量マニュアル(案)」の定める基準では縦方向の重複度(オーバーラップ)80%以上、横方向の重複度(サイドラップ)60%以上と定められています。

写真のラップ率が高い(写真が多い)ほど精度は高くなる傾向にありますが、写真枚数も多くなり、その分、点群作成に時間がかかるため注意が必要です。

点群の作成・三次元形状の復元計算

撮影が終わった写真を三次元形状復元ソフト(SfM = Structure from Motionソフト)で解析し、点群モデルを作成します。ソフトにはいくつか種類がありますが、このソフトじゃないとダメという決まりはありません。

ソフトに関してこちらでも詳しく解説していますので併せてご覧ください。

UAV(ドローン)測量に関するソフトウェア
UAV(ドローン)写真測量を行う上で、いくつか必要となるソフトウェアがあります。今回の記事では、UAV(ドローン)写真測量に必要となるソフトウェアのご紹介と、それが何のためのソフトなのか、ということを解説していきたいと思います。UAV...

よく使われているのはAgisoft社の「Photoscan」やPix4D社の「Pix4D」などです。これらのソフトは、各写真の特徴となる点を探し出し、計算をして点群を作成します。

それなりにマシンパワーのあるパソコンが必要となります。この時点で出てくる点群は特徴点だけですので、まだスカスカの状態です。そこで今度は各点の間を補完する高密度クラウドの作成を行います。こうしてあげることで密度の高い、三次元モデルのような点群が完成します。

厳密には点群モデルは隙間があるため3次元モデルとは別です。そこで今度は点と点と点を結んで「面」にするメッシュ構築という処理を行います。こうして三次元モデルが出来上がったら、各標定点や検証点に予め測量しておいた座標を入力します。これで各基準点の座標が分かりますので、相対的にどこの点をとっても、実際のスケールで座標、距離、面積、体積が求められるようになるわけです。

また「UAVを用いた公共測量マニュアル(案)」の第3編「UAVによる空中写真を用いた三次元点群作成」における工程別作業手順は、下記のとおりです。

従来の測量手法と比較したメリット

UAVによる写真測量を従来手法と比較すると以下のようなメリットがあります

  • 工期の短縮
  • 人工の削減
  • コストの削減

従来手法である現地測量は精度が非常に高いですが、広範囲を測量しようとするとそれなりに人手も時間もかかってしまいます。そのため、以前より航空機による空中写真測量は存在しましたが、セスナを飛ばすためコストが高くなってしまうことに加えてスケジュールの調整も大変だという問題がありました。

しかし、UAVを写真測量に活用すればこれらの問題は一気に解決します。少人数で、短期間に、工程に合わせた最適なタイミングで測量を行うことが可能になるわけです。人工も時間も減らせるということは省力化であり、それはそのままコストの削減につながります。あらゆる面で「生産性」が高まったと言えるわけです。

このように、UAVを写真測量に活用する最大の意味は「生産性の向上」にある、ということがお分かりいただけるのではないかと思います。